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非金属原子掺杂的GaN纳米管:电子结构、输运特性及电场调控效应

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物理学报 2022年第11期71卷 293-304页

作者：汤家鑫范志强邓小清张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室长沙410114

GaN被称为第三代半导体,有着重要的应用前景.本文对其衍生的一维锯齿型纳米管进行了系统研究,重点研究了ⅢA-ⅦA主族的所有非金属原子低浓度掺杂纳米管后的化学结合特性、电子结构、输运特性及栅极电压调控效应等,并且有一些重要的发现,... 详细信息

GaN被称为第三代半导体,有着重要的应用前景.本文对其衍生的一维锯齿型纳米管进行了系统研究,重点研究了ⅢA-ⅦA主族的所有非金属原子低浓度掺杂纳米管后的化学结合特性、电子结构、输运特性及栅极电压调控效应等,并且有一些重要的发现,如:掺杂纳米管具有良好的能量与热稳定性,它们的结合能、形成能及杂质原子周围化学键的平均键长与掺杂原子的原子序数(原子半径)有密切联系;杂质原子与纳米管之间的电荷转移与它们之间的相对电负性有直接关系.更重要的是,研究发现虽然本征纳米管是半导体,但非金属原子掺杂后,纳米管的电子相具有明显的奇-偶效应,即掺杂第ⅢA,ⅤA,ⅦA族原子后,纳米管仍为半导体,而掺杂第ⅣA,ⅥA族原子后,纳米管变为金属,这些现象与孤对电子态有密切关系.对半导体材料的载流子迁移率研究发现:掺杂异质原子,能调控纳米管的空穴及电子迁移率产生1个数量级的差异,特别是较高的栅极电压能明显提高空穴及电子迁移率,如当栅极电压为18 V时,空穴迁移率相对未加电压时的情况增大了近20倍.

关键词： GaN纳米管非金属原子掺杂奇-偶效应载流子迁移率栅极电压效应

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非金属原子掺杂的扶手椅型砷烯纳米管的磁电子性质及调控

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物理学报 2023年

作者：韩佳凝黄俊铭曹胜果李占海张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室

诱发非磁材料磁性并灵活调控其磁电子性质对于研发高性能磁器件是非常重要的. 基于密度泛函理论 ( DFT )，系统研究了非金属原子X ( X = B， N， P， Si， Se， Te )取代性掺杂扶手椅型砷烯纳米管AsANT的结构稳定性、磁电子性质、载流... 详细信息

诱发非磁材料磁性并灵活调控其磁电子性质对于研发高性能磁器件是非常重要的. 基于密度泛函理论 ( DFT )，系统研究了非金属原子X ( X = B， N， P， Si， Se， Te )取代性掺杂扶手椅型砷烯纳米管AsANT的结构稳定性、磁电子性质、载流子迁移率以及应变对杂质管磁电子性质的调控效应. 计算的结合能和形成能证明了杂质管AsANT-X的结构稳定性，可能在实验中实现. 杂质管电子结构的计算表明AsANT-X ( X = B， N， P )为无磁半导体，而AsANT-X ( X = Si， Se， Te )表现为双极化磁性半导体，磁性源于杂质原子与As之间非配对电子的出现. 此外，掺杂可以灵活调控AsANT的载流子迁移率到一个较宽的范围，并且呈现明显迁移率的载流子极性和自旋极性. 特别是，应变可以导致AsANT-Si在双极化磁性半导体、半-半导体、磁金属和无磁金属之间的多磁相变过渡，这种在无磁态和高磁化态之间的转换可用于设计由应变控制的自旋极化输运的机械开关. 本文的研究为砷烯的应用提供了新途径.

关键词：扶手椅型砷烯纳米管非金属原子掺杂磁电子性质载流子迁移率应变效应

金刚石表面生长石墨烯的纳观尺度机理研究进展

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材料导报 2023年第16期37卷 45-51页

作者：陈善登白清顺窦昱昊郭万民郭永博杜云龙哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

近年来,将石墨烯转移至金刚石表面形成的石墨烯/金刚石异质结构在精密制造、电子制造等领域展现出显著优势,但石墨烯本征特性会因转移至介电基材后缺陷和界面处的声子散射而明显减弱。因此,以金刚石作为衬底直接生长石墨烯成为获得高质... 详细信息

近年来,将石墨烯转移至金刚石表面形成的石墨烯/金刚石异质结构在精密制造、电子制造等领域展现出显著优势,但石墨烯本征特性会因转移至介电基材后缺陷和界面处的声子散射而明显减弱。因此,以金刚石作为衬底直接生长石墨烯成为获得高质量石墨烯/金刚石异质结构的一种全新尝试。虽然以金刚石作为衬底相比于其他介电材料拥有众多优势,但是现阶段在金刚石表面生长的石墨烯通常存在晶格缺陷多、畴区尺寸小等缺点,也缺乏纳观尺度下金刚石结构表面石墨烯生长的机理解析和理论指导。本文评述了在金属催化、非金属诱导和高温热解三种催化方式下金刚石表面生长石墨烯的纳观尺度机理研究进展,对不同催化方式下金刚石表面生长石墨烯的原子机理进行了总结,并对不同催化条件下生长石墨烯的典型结果进行对比分析,最后归纳了金刚石结构表面生长石墨烯研究所面临的关键问题与挑战,展望了基于金刚石表面石墨烯生长研究的发展方向,可为高质量石墨烯/金刚石异质结构的研究与应用提供有益借鉴。

关键词：石墨烯金刚石金属催化非金属原子掺杂

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磷掺杂石墨烯/Ti3C2Tx微球型气凝胶的制备及其超级电容器性能研究

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磷掺杂石墨烯/Ti3C2Tx微球型气凝胶的制备及其超级电容器性能研究

作者：纪肃成扬州大学

学位级别：硕士

超级电容器具有充放电速度快、功率密度高等优点,作为一种新型的储能体系备受人们关注。为解决超级电容器能量密度低的瓶颈问题,开发具有电化学性能稳定和高活性的电极材料成为发展的关键。石墨烯的功能化和赝电容性能优异的金属碳化物... 详细信息

超级电容器具有充放电速度快、功率密度高等优点,作为一种新型的储能体系备受人们关注。为解决超级电容器能量密度低的瓶颈问题,开发具有电化学性能稳定和高活性的电极材料成为发展的关键。石墨烯的功能化和赝电容性能优异的金属碳化物的引入,有效地提高了电极材料的电化学性能。本课题,主要通过喷雾法和冷冻干燥相结合的方法,成功制备了功能化石墨烯负载金属碳化物（Ti3C2Tx）微球型气凝胶,有效地降低了层状Ti3C2Tx团聚的现象。通过对材料的结构、形貌的控制、表面的修饰,电极材料展示出了优异的电化学性能。详细的研究内容分为以下几个部分:（1）通过冷冻干燥、喷雾法高温活化法相结合,制备了非金属磷掺杂石墨烯微球型气凝胶（PG-MA）。通过SEM表征,PG-MA呈现出层次性的多孔微球结构。通过高温活化处理,磷原子成功掺杂到石墨烯晶格中,有效地调控了石墨烯表面的电子结构和增加了电极材料的润湿性。由于C-P和P-O键的生成,石墨烯的表面粗糙度增加,暴露出更多的活性位点,提高了材料的超级电容器方面的性能,比如比电容和稳定性等。与石墨烯微球型气凝胶（G-MA）和磷掺杂石墨烯气凝胶（P-rGA）,PG-MA的电化学性能得到显著提高,归因于磷元素掺杂和微球型结构的调控。（2）通过冷冻干燥法、喷雾法和低温热活化法等,制备了石墨烯/Ti3C2Tx微球型气凝胶（MG-MA）。通过SEM表征,层状Ti3C2Tx和石墨烯纳米片通过静电力及表面张力作用按冰模板方向自组装,形成层次的、多孔型微球结构。通过TEM观察到少层或单层Ti3C2Tx均匀分布于石墨烯纳米片上,并有效抑制了 Ti3C2Tx与石墨烯片的堆叠现象。相对于石墨烯/手风琴状Ti3C2Tx微球型气凝胶（b-MG-MA）,石墨烯/少层或单层Ti3C2Tx微球型气凝胶（e-MG-MA）展现出优异的电化学性能,比如在10 mV s-1扫速下,e-MG-MA的比电容高达444.9 F g-1,倍率性能为80.9%。（3）在上一章实验基础上,利用植酸作为非金属磷源,引入到石墨烯/Ti3C2Tx体系中,通过喷雾法、冷冻干燥和高温活化等方法,获得磷掺杂石墨烯/Ti3C2Tx微球型气凝胶（PGM-MA）。通过多种电子显微技术表征,PGM-MA展现出层级、多孔型的微球结构,并且Ti3C2Tx均匀地分布在石墨烯纳米片上。C-P键和P-O键的生成,证明了非金属磷成功掺杂到石墨烯中;石墨烯与Ti3C2Tx之间通过Ti-O-C键紧密的结合。通过非金属磷掺杂和引入赝电容性质优异的Ti3C2Tx的协同增强效应,显著地提高了 PGM-MA的电化学性能,比如在10 mV s-1扫速下,比电容高达602.3 F g-1。

关键词：非金属原子掺杂过渡金属碳化物石墨烯超级电容器冷冻干燥